一種新能源汽車遠程監(jiān)測平臺車載終端軟硬件設(shè)計

耿黃政

摘要：新能源汽車遠程監(jiān)測平臺實時采集車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對新能源汽車的監(jiān)測和管理。車載終端通過車輛的OBD接口進行采集，車載終端在遠程監(jiān)測平臺系統(tǒng)里面起著決定性的作用。闡述一種新能源汽車遠程監(jiān)測平臺車載終端的軟硬件設(shè)計，可以支持新能源汽車遠程監(jiān)測平臺實現(xiàn)，可以實現(xiàn)對新能源汽車的監(jiān)測和管理。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;車載終端;軟硬件設(shè)計;云平臺

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.056

1 新能源汽車遠程監(jiān)測平臺架構(gòu)

新能源汽車遠程監(jiān)測平臺主要由車載終端、云平臺、管理系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。對于新能源汽車，車輛相關(guān)實時數(shù)據(jù)主要由車載終端通過車輛的OBD接口進行采集，在車載終端內(nèi)部完成數(shù)據(jù)的組包。在網(wǎng)絡(luò)狀況良好的情況下，通過外置的GPRS模塊，按照車載終端與遠程監(jiān)測平臺間的通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)以字段的形式發(fā)送到云平臺。云平臺按照協(xié)議對上傳的數(shù)據(jù)字段進行解析，將對應(yīng)字段轉(zhuǎn)換為可讀的車輛數(shù)據(jù)信息，并交由MySQL數(shù)據(jù)庫存儲及管理，為后期大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供數(shù)據(jù)樣本。最終利用管理系統(tǒng)，通過云平臺的數(shù)據(jù)庫操作接口，直觀地將車輛的實時數(shù)據(jù)提供給管理人員。管理人員同時也能通過管理系統(tǒng)對聯(lián)網(wǎng)車輛進行狀態(tài)查詢、車輛數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、發(fā)送車輛遠程指令等操作。

車載終端與車輛之間的通信，通過與OBD接口的物理連接，從車載CAN總線上獲取車輛各個節(jié)點上的控制器相關(guān)數(shù)據(jù)及向控制器發(fā)送指令。車載終端與遠程監(jiān)測云平臺的連接采用的是4G通信技術(shù)及TCP/IP協(xié)議，車載終端通過外置的GPRS模塊與遠程監(jiān)測云平臺進行實時信息交互。管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)訪問遠程監(jiān)測云平臺的數(shù)據(jù)庫獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，或通過服務(wù)器向車輛發(fā)送遠程指令。

2 遠程監(jiān)測平臺車載終端

車載終端的主要功用是實現(xiàn)車輛自組織網(wǎng)絡(luò)上承載的車輛信息與外界數(shù)據(jù)的交換，其能否準確、實時地采集到車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將會極大地影響遠程監(jiān)測平臺功能的實現(xiàn)。汽車上的各個功能及各種電子控制系統(tǒng)都是由諸多的電控單元（ Electronic Control Unit'

ECU）控制的，每個ECU都連接在車載總線上以實現(xiàn)車輛電氣組件之間的網(wǎng)聯(lián)。CAN總線是最古老的多功能總線規(guī)范之一，也是正在運行的最普遍的系統(tǒng)總線之一，典型的配置允許多達110個節(jié)點和500m的總線長度，并且能在多種不同的物理層上運行。車載終端通過車輛OBD接口實現(xiàn)與車載CAN總線的物理連接，并通過內(nèi)置的CAN通信模塊與ECU實現(xiàn)實時通信，采集各個ECU上的數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)管理系統(tǒng)發(fā)出遠程指令時，車載終端同樣通過逆向路徑向車輛相關(guān)ECU發(fā)送指令以實現(xiàn)對車輛的遠程控制。

出于對功能性和成本的綜合考慮，車載終端采用的主控芯片數(shù)據(jù)處理和計算能力都有限，采集到的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)在車載終端內(nèi)部只完成組包的工作，以TCP/IP傳輸協(xié)議中的標準字段形式上傳到云平臺，交由云平臺后端進行解析和處理。數(shù)據(jù)組包的發(fā)送周期需要滿足國標規(guī)定的實效性要求，同時要考慮其工作模式和成本，在滿足功能的前提下盡可能壓縮其成本。

車載終端作為移動終端，其工作環(huán)境隨車輛的運行不斷發(fā)生變化。由于車載終端是主要通訊設(shè)備，必須有通訊網(wǎng)絡(luò)的加持，而不同的運行環(huán)境難免存在無信號的情況。因此，車載終端須具備存儲本地存儲功能，在通訊條件被阻塞的情況下，將采集到的車輛數(shù)據(jù)存儲在本地存儲設(shè)備中，待通訊信號恢復(fù)后再向云平臺發(fā)送未上傳的數(shù)據(jù)包。車載終端的軟硬件設(shè)計決定了新能源汽車的遠程監(jiān)測能力。

2.1 車載終端硬件設(shè)計

根據(jù)對車載終端設(shè)計需求的分析可知，車載終端的硬件模塊組成可分為：主控芯片，CAN通信模塊，4G通信模塊，定位模塊，本地存儲模塊，電源模塊，加速識別模塊。

主控芯片是車載終端硬件系統(tǒng)中最重要的一部分，其型號的選用需要結(jié)合性能、可擴展性、成本等方面進行綜合考量。恩智浦公司（ NXP）推出的S32K系列微控制單元符合AEC-QIOO規(guī)范，是一款基于32位Arm Cortex-M4F和Cortex-MO+內(nèi)核的微控制單元，其具有可擴展性強的特點，并集成ISO CAN FD、SSEc硬件安全、ASIL-B IS026262功能安全及超低功耗等性能。同時，其配套有完善、免費的量產(chǎn)級軟件開發(fā)套件和S32 Design Studio IDE。因此，本文采用FS32K146作為車載終端的主控芯片。

CAN通信模塊承擔(dān)著車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與外界交換的任務(wù)，由于FS32K146已集成了LIN控制器以及CAN控制器，因此，只需要在此模塊中添加CAN收發(fā)器來轉(zhuǎn)換CAN總線與CAN控制器之間的電平。而對于LIN總線的通信，同樣預(yù)留了LIN收發(fā)器的接口，為后期進行平臺功能的延伸，拓展類似遠程開關(guān)車鎖、車窗、車燈等功能提供了可能。本文采用型號為TJA1027T的LIN收發(fā)器，以及德州儀器公司推出的型號為TCAN334G，具備CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率）的3.3V CAN收發(fā)器。其具有3.3V單電源運行、數(shù)據(jù)傳輸率高達5 Mbps、較小的封裝尺寸等特點，并能在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作，符合對性能和可靠性的要求。

4G通信模塊和定位模塊采用的是上海移遠通信技術(shù)股份有限公司（ Quectel）推出的EC20 R2.1模塊。EC20 R2.1是一款帶有分集接收功能，支持五種制式和多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接的無線通信模塊。同時，還能在特定的應(yīng)用場景為客戶端提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和語音功能。由于該模塊已集成GNSS功能，車載終端內(nèi)部就不需要額外加裝獨立的定位模塊，降低了電路板設(shè)計的復(fù)雜性。但EC20模塊的GNSS引擎在出廠設(shè)置下是默認關(guān)閉的，需要在后臺使用AT指令將GPS信號輸出口打開，以激活其GNSS功能。

本地存儲模塊保證車載終端在無線網(wǎng)絡(luò)阻塞時的采集數(shù)據(jù)不丟失，鑒于其數(shù)據(jù)包占用內(nèi)存體積并不大，采用8G容量的SD卡作為存儲介質(zhì)，與閃存FLASH、磁電存儲器RAM共同組成本地存儲模塊。若需要存儲新的類型數(shù)據(jù)或大體積數(shù)據(jù)，可更換大容量SD卡或者讀寫速率更快的閃存芯片。

車載終端從車輛OBD接口汲取電量，電源模塊不僅承擔(dān)電池電量的存儲，還要實現(xiàn)供電的降壓和穩(wěn)壓，以實現(xiàn)各模塊的穩(wěn)定供電。本文采用SGM4056、XC62IOB332MR、MP24943DN、MP2143四款電壓控制芯片，運用二級降壓的模式，先將電壓降至5V，后降至3.8V和3.3V，為各元器件提供工作電壓。加速感知模塊采用的是MEMS公司推出的型號為GMA301的三軸數(shù)字加速度計，此款加速度計有±6 9的動態(tài)感知范圍，彈性采樣率覆蓋于1- 100 Hz，符合車載終端的功能需求。

2.2 車載終端軟件設(shè)計

在完成車載終端硬件選型和各主要模塊電路設(shè)計之后，還需要結(jié)合各模塊間的通信協(xié)議對軟件程序進行編寫，實現(xiàn)軟硬件的結(jié)合才能使車載終端的各項功能正常運行。本文在Keil uVision4開發(fā)環(huán)境下，采用C語言編寫及調(diào)試與CAN通信模塊、4G通信模塊、定位模塊、本地存儲模塊相關(guān)的軟件程序，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、本地存儲3個部分的功能。

數(shù)據(jù)采集部分的功能主要包含對車載CAN總線上承載的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，以及定位模塊生成數(shù)據(jù)的采集。車輛數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)過程，首先依靠對CAN控制器的初始化、配置寄存器等操作，搭建車載終端與CAN總線間的通信通道;之后根據(jù)在CAN2.OB協(xié)議基礎(chǔ)上定制的SAEJ1939協(xié)議中對數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層方面的要求，通過向車載CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)幀請求，總線單元隨即發(fā)出帶有標識符的遠程幀，請求發(fā)送具有同一標識符的數(shù)據(jù)幀，最后接收車輛各ECU返回的數(shù)據(jù)幀。

而對于車輛的定位數(shù)據(jù)采集，利用的是EC20芯片中內(nèi)置的GNSS功能。由于EC20無線通信模塊中的GNSS引擎是默認關(guān)閉的，需要進行使能操作才可以進行功能激活，因此，首先需要在openwrt上利用AT指令后臺開啟GPS信號輸出口;之后將NMEA通訊協(xié)議作為軟件程序設(shè)計流程的參照依據(jù)，進行對應(yīng)的程序編譯操作;對定位模塊進行初始化即串口的初始化設(shè)置，開外部中斷等待數(shù)據(jù)的接收;當(dāng)接收到采集數(shù)據(jù)幀時，識別起始3個字符為$GN的幀，將其接收并存人緩存區(qū);在緩沖區(qū)中判斷是否為GPRMC精簡語句，通過驗證則根據(jù)應(yīng)用的需要對其進行解析，提取如時間、日期、速度、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)信息;通過USB串口將采集的定位數(shù)據(jù)信息交由主控芯片，與采集的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)共同完成組包。

數(shù)據(jù)上傳部分的程序主要負責(zé)將車載終端主控芯片組包好的車輛實時數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)測系統(tǒng)的云平臺。依然使用AT指令完成EC20無線通信模塊的聯(lián)網(wǎng)，設(shè)置接收數(shù)據(jù)的服務(wù)器主機IP和端口號，搭建數(shù)據(jù)通信的橋梁，完成在云平臺服務(wù)器上的登錄操作以及與服務(wù)器的連接后，隨即按照TCP/IP協(xié)議要求將已組包的并存儲于SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)包發(fā)送至云平臺;當(dāng)接收到服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)接收確認信息時，斷開與平臺的連接，等待下次數(shù)據(jù)上傳。

由于不同運行環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)狀況具有差異，車載終端會出現(xiàn)于云平臺服務(wù)器連接失敗的情況，進而導(dǎo)致該時段的實時數(shù)據(jù)無法上傳，此時按照GB/T 32960中的要求，每間隔1 min重新嘗試連接及發(fā)送數(shù)據(jù)，連續(xù)重復(fù)3次無應(yīng)答或返回錯誤值，間隔30 min后繼續(xù)重連直至完成補發(fā)，補發(fā)數(shù)據(jù)在發(fā)送實時數(shù)據(jù)的空閑時間內(nèi)完成;當(dāng)出現(xiàn)3級報警時，上報故障發(fā)生時間點前后30 s的數(shù)據(jù)且信息采樣周期不大于1s，以補發(fā)數(shù)據(jù)的形式發(fā)送。

本地存儲部分主要功能為數(shù)據(jù)包的備份與暫存。根據(jù)國標要求，車載終端不僅需要將按照固定時間間隔采集到的實時數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲介質(zhì)中，并保存7d，還需要將因網(wǎng)絡(luò)通信異常而未發(fā)送的數(shù)據(jù)進行存儲，以便后期補發(fā)。因此，本地存儲部分的主要軟件功能是Flash刷寫。由于SD卡是集成了管理系統(tǒng)的Nand Flash芯片多層疊加，且自帶了驅(qū)動程序，其刷寫方法具有通用性。因此，本文不再對本地存儲的刷寫流程進行設(shè)計。

3 結(jié)束語

車載終端的主要功用是實現(xiàn)車輛自組織網(wǎng)絡(luò)上承載的車輛信息與外界數(shù)據(jù)的交換，其能否準確、實時地采集到車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將會極大地影響遠程監(jiān)測平臺功能的實現(xiàn)。車載終端的軟硬件設(shè)計決定了新能源汽車的遠程監(jiān)測能力。本文闡述的車載終端的軟硬件設(shè)計，在經(jīng)過了一系列的與遠程監(jiān)測平臺融合測試后，可以運用于新能源汽車遠程監(jiān)測平臺，可以實現(xiàn)對新能源汽車的監(jiān)測和管理。

參考文獻：

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